基于單片機(jī)和串行接口實現(xiàn)串行總線芯片測試平臺的設(shè)計

作者：夏繼強(qiáng)，邢春香，盧明臻，滿慶豐

應(yīng)用串行接口芯片擴(kuò)展系統(tǒng)時，在初步選擇了串行接口的芯片后，為了對芯片的資源更好地了解，開發(fā)者一般在系統(tǒng)設(shè)計前搭建一個簡單的硬件電路并編制相應(yīng)的軟件對其測試，待性能驗證后再確定最終的設(shè)計方案?本文根據(jù)這一需要設(shè)計了一個用于串行總線芯片測試的實驗平臺?該平臺以PC機(jī)為人機(jī)接口?采用單片機(jī)產(chǎn)生芯片串行通信時序?應(yīng)用這一平臺可以大大簡化芯片使用前的測試過程?這一平臺也為單片機(jī)串行擴(kuò)展的初學(xué)者提供了快捷的學(xué)習(xí)工具?本平臺目前集成了SPI?One-wire?Microware?I2C四種串行接口，在今后的使用中，可根據(jù)需要增加串行接口的種類?

1 串行擴(kuò)展平臺的結(jié)構(gòu)

SPI?One-wire?Microware?I2C是目前單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的幾個串行擴(kuò)展接口?具有I2C和One-wire接口的外圍器件都有自己的地址編號，單片機(jī)通過軟件選通器件;而SPI和Microware擴(kuò)展接口芯片首先要通過單片機(jī)I/O口線選通其片選腳，然后才能對其進(jìn)行操作?這四種串行擴(kuò)展接口都有不同的時序要求，但每一種總線的基本時序要求都是一致的，對芯片的操作無非是讀出或?qū)懭?，所不同的是具體的數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)容，只要按照各自的時序和命令操作，即可實現(xiàn)芯片功能?本文的串行擴(kuò)展平臺就是基于這一方法搭建的? 串行擴(kuò)展平臺由兩部分組成：上位機(jī)部分由PC機(jī)構(gòu)成，具有人機(jī)接口界面，操作起來方便直接;下位機(jī)部分由單片機(jī)及擴(kuò)展接口電路構(gòu)成，并通過RS-232接口與上位機(jī)通信?

下位機(jī)的核心是AT89C51單片機(jī)?單片機(jī)本身并沒有SPI?One-wire?Microware?I2C接口，使用虛擬器件技術(shù)，在單片機(jī)內(nèi)采用模塊化設(shè)計思想固化四種接口的串行訪問子程序，通過軟件調(diào)用完成這幾種串行擴(kuò)展的時序，用單片機(jī)的普通I/O口線模擬出四種串行接口，在下位機(jī)電路板上留有較大的通用板空間或用標(biāo)準(zhǔn)的連接器將串行接口引出，便于與待測芯片連接?AT89C51單片機(jī)沒有RS-232接口，但它的UART口可以采用MAX232等芯片擴(kuò)展出簡單的RS-232接口，與上位機(jī)的RS-232接口相接?下位機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示?

測試時，將待測芯片與對應(yīng)的串行接口相連，操作者在上位機(jī)將訪問命令和數(shù)據(jù)通過RS-232接口下傳給下位機(jī);下位單片機(jī)對其分析后調(diào)用相應(yīng)的時序模擬程序訪問待測芯片，并將結(jié)果通過RS-232接口上傳給上位機(jī)，在上位機(jī)顯示?從整個測試過程來看，只要關(guān)心命令和數(shù)據(jù)的輸入和輸出，不必關(guān)心具體時序，近似一種透明的操作?測試后，只需對單片機(jī)中的子程序稍加裁減，即可移植到實際應(yīng)用軟件中，為開發(fā)提供了方便?下面將分別介紹這四種串行通信接口的實現(xiàn)?

2 四種串行通信接口的實現(xiàn)

在串行擴(kuò)展中，可以根據(jù)接口主器件的數(shù)量分為單主器件系統(tǒng)和多主器件系統(tǒng)?其中單主器件系統(tǒng)應(yīng)用最普遍?在單主器件系統(tǒng)中，具有一個主控制器件和多個從器件，數(shù)據(jù)的傳送由主器件控制?主器件啟動和停止數(shù)據(jù)的發(fā)送，提供同步時鐘信號?在應(yīng)用中使用種類最多的是功能繁多的從器件?本文的串行擴(kuò)展平臺主要針對這些從器件應(yīng)用設(shè)計?所以該平臺采用單主器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只考慮用單片機(jī)的通用I/O口線模擬主器件訪問從器件的時序邏輯?

2.1 I2C總線接口時序

I2C串行總線是Philips公司提出的一種板內(nèi)芯片間串行總線?它用兩根連線即可方便地實現(xiàn)外圍器件擴(kuò)展?圖2給出了主器件對從器件訪問的基本讀寫時序，SDA為數(shù)據(jù)線，SCL為時鐘線?

I2C總線上數(shù)據(jù)傳送的基本單位為字節(jié)，采用低位在前的格式?主從器件之間一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為一幀，由啟動信號?若干個數(shù)據(jù)字節(jié)和應(yīng)答位以及停止信號組成?可以看出，I2C的主要命令只有讀?寫兩種情況，雖然讀寫的字節(jié)根據(jù)具體器件的不同而不同，但其時序關(guān)系不會發(fā)生改變?根據(jù)這一點，下位機(jī)只要具備I2C的基本時序即可?這些基本時序包括：啟動?寫字節(jié)?讀字節(jié)?應(yīng)答位?停止信號，并可以組合成兩個子程序：讀N字節(jié)子程序?寫N字節(jié)子程序?

2.2 串行外圍接口SPI

SPI（同步串行外設(shè)接口）由Motorola公司提出，它是一種三線同步接口，分別為同步信號?輸入信號和輸出信號?另外每個擴(kuò)展芯片還需要一根片選線，主器件通過片選線選通與其通信的從器件?圖3給出了SPI的時序圖?其中，SCK為同步時鐘脈沖，SS為片選線，MOSI為主器件的數(shù)據(jù)輸出和從器件的數(shù)據(jù)輸入線，MISO為主器件的數(shù)據(jù)輸入線和從器件的數(shù)據(jù)輸出線?

SPI是全雙工的，即數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可同時進(jìn)行?如果僅對從器件寫數(shù)據(jù)，主器件可以丟棄同時讀入的數(shù)據(jù);反之，如果僅讀數(shù)據(jù)，可以在命令字節(jié)后，寫入任意數(shù)據(jù)?數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位，并采用高位在前的格式?SPI接口的通信程序可簡化為：寫讀N字節(jié)子程序?

2.3 Microware串行通訊接口

NS公司的Microware是串行同步雙工通訊接口，由一根數(shù)據(jù)輸出線?一根數(shù)據(jù)輸入線和一根時鐘線組成?所有從器件的時鐘線連接到同一根SK線上，主器件向SK線發(fā)送時鐘脈沖信號，從器件在時鐘信號的同步沿輸出/輸入數(shù)據(jù)?主器件的數(shù)據(jù)輸出線DI和所有從器件的數(shù)據(jù)輸入線相接，從器件的數(shù)據(jù)輸出線都接到主器件的數(shù)據(jù)輸入線DO上?與SPI接口類似，每個從器件也都需要另外提供一條片選通線CS（注意：它采用高選通方式）? 圖4給出了主器件對從器件操作的基本時序，包括寫起始位?寫操作碼和讀字節(jié)，數(shù)據(jù)交換采用高位在前的格式?圖4中給出了讀兩個字節(jié)時的情況，在主器件寫完起始位和操作碼后，從器件會應(yīng)答一個 “0”?該應(yīng)答位在主器件寫完操作碼的最后一位時給出?在本文中，主器件速度較慢，可以不考慮等待該位?Microware接口的通用子程序有：啟動子程序，讀N字節(jié)子程序?寫N字節(jié)子程序?不同的Microware器件支持的起始位?操作碼有所不同，但可人為組成合適的字節(jié)?

2.4 One-wire總線

One-wire總線是DALLAS公司研制開發(fā)的一種協(xié)議?它由一個總線主節(jié)點?一個或多個從節(jié)點組成系統(tǒng)，通過一根信號線對從芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取?每一個符合One-wire協(xié)議的從芯片都有一個唯一的地址，包括48位的序列號?8位的家族代碼和8位的CRC代碼?主芯片對各個從芯片的尋址依據(jù)這64位的不同來進(jìn)行? One-wire總線利用一根線實現(xiàn)雙向通信?因此其協(xié)議對時序的要求較嚴(yán)格，如應(yīng)答等時序都有明確的時間要求?基本的時序包括復(fù)位及應(yīng)答時序?寫一位時序?讀一位時序，如圖5和圖6所示?在復(fù)位及應(yīng)答時序中，主器件發(fā)出復(fù)位信號后，要求從器件在規(guī)定的時間內(nèi)送回應(yīng)答信號;在位讀和位寫時序中，主器件要在規(guī)定的時間內(nèi)讀回或?qū)懗鰯?shù)據(jù)?為了與其它模擬接口的子程序在結(jié)構(gòu)形式上盡量一致，在One-wire模擬時序程序中把位讀和位寫時序拓延，形成低位在前的字節(jié)讀寫時序，寫一個字節(jié)的時序如圖7所示?最終形成三個子程序：復(fù)位及應(yīng)答子程序?寫N個字節(jié)子程序和讀N個字節(jié)子程序?

2.5 下位機(jī)軟件

從功能上來說，下位機(jī)軟件的作用是接收上位機(jī)發(fā)出的命令，分析命令，根據(jù)命令對各時序子程序進(jìn)行組合和調(diào)用，形成正確的訪問時序邏輯;如果有返回數(shù)據(jù)，還要將返回數(shù)據(jù)回送上位機(jī)顯示?前面已經(jīng)對四種串行接口的模擬時序子程序進(jìn)行了簡要介紹，由于篇幅所限，無法對每個子程序進(jìn)行詳細(xì)的說明，進(jìn)一步的時序說明，可以查閱有關(guān)的參考文獻(xiàn)和相關(guān)手冊?這里只給出下位機(jī)軟件總體流程，如圖8所示?有關(guān)上位的命令在上位機(jī)與其通信的協(xié)議中介紹?

3 上位機(jī)通信軟件的實現(xiàn)

上位PC機(jī)作為人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)向下位機(jī)發(fā)送經(jīng)過人工分析的數(shù)據(jù)字節(jié)，這為開發(fā)者提供了對芯片的透明操作?即在對某一類芯片進(jìn)行操作時并不關(guān)心中間具體的過程，只須分析數(shù)據(jù)，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給下位機(jī)，即可完成對芯片的操作?上位機(jī)將操作的芯片分成四類（I2C?SPI?Microware?One-wire），用一個字節(jié)進(jìn)行標(biāo)識（0?1?2?3）?如果只進(jìn)行寫操作，則上位機(jī)發(fā)送完寫入字節(jié)后，不操作;如果進(jìn)行讀操作，需重新設(shè)定發(fā)送的字節(jié)并等待下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)字節(jié)?在Microware和One-wire協(xié)議中須發(fā)送起始位或復(fù)位信號的地方可以用特殊字節(jié)標(biāo)識?上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀由起始字節(jié)?通信選定字節(jié)?讀/寫命令字節(jié)?字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)字節(jié)組成?圖9給出了在讀和寫兩種情況下，上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和下位機(jī)返回數(shù)據(jù)幀的組成?

結(jié)束語

本文討論的芯片級串行總線擴(kuò)展應(yīng)用研發(fā)平臺在實際應(yīng)用中取得了良好的效果，縮短了新器件功能測試的時間，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，并可根據(jù)需要增加串行接口種類?另外，這一平臺也為初學(xué)者全面了解串行擴(kuò)展技術(shù)提供了良好的途徑?

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